Wie viel dunkle Materie geht jede Sekunde durch Ihren Körper

Die Bildung der kosmischen Struktur auf großen und kleinen Skalen hängt stark von der Wechselwirkung zwischen dunkler und normaler Materie ab. Trotz indirekter Beweise für die Existenz dunkler Materie möchten wir sie sehr gerne direkt erkennen - und dies kann nur geschehen, wenn zwischen normaler und dunkler Materie ein gegenseitiger Schnittpunkt ungleich Null besteht.

Das Gleichgewicht der Materie im Universum konvergiert trotz all seiner Planeten, Sterne, Gase, Staub, Galaxien und allem, was wir darin finden, nicht. Auf den größten kosmischen Skalen sehen wir dasselbe: Für die Gravitationseffekte, die wir beobachten, gibt es nicht genug Materie. Materie sammelt sich an und bildet ein kosmisches Netz. Galaxienhaufen werden enorm groß und in ihnen bewegen sich Galaxien mit hoher Geschwindigkeit. Einzelne Galaxien drehen sich mit hoher Geschwindigkeit und bleiben bis zum Rand groß.

Aber all dies hätte nicht passieren können, wenn es nicht fünfmal mehr Materie gegeben hätte als alles, worauf nur Protonen, Neutronen und Elektronen antworten können. Unser Bild des Universums benötigt dunkle Materie (TM) für innere Konsistenz. Und wenn es real ist, dann hat unsere Milchstraße auch einen eigenen Halo von TM, und ein Teil dieses TM geht durch das Sonnensystem, die Erde und sogar Ihren Körper. Und hier erfahren Sie, wie viel TM sich gerade in Ihnen befindet.


Um die beobachteten Phänomene im Universum auf den größten Skalen zu erklären, von Reliktstrahlung über das kosmische Netz bis hin zu Galaxienhaufen und einzelnen Galaxien, ist dunkle Materie erforderlich

Im jungen Universum war alles heißer, dichter und einheitlicher als heute. In den frühen Tagen gab es etwas dichtere Bereiche, die etwas mehr als durchschnittliche Materie enthielten. Die Schwerkraft zieht mehr Materie in solche Bereiche und die Strahlung drückt sie heraus.

Wenn wir nur normale Materie und ihre Partikelbestandteile mit dieser Strahlung gekoppelt hätten, wären Galaxien und galaktische Cluster heute völlig anders als das, was wir sehen. Wenn sich das TM jedoch in einem Verhältnis von 5 zu 1 zum üblichen befindet, können wir theoretisch das kosmische Netz reproduzieren, das unseren Beobachtungen und Messungen entspricht.


Im größten Maßstab entsprechen Simulationen (rot) nicht der tatsächlichen Akkumulation von Galaxien (blau und lila), es sei denn, dunkle Materie ist in ihnen enthalten.

Eine der Konsequenzen der Existenz von HM ist, dass jede große Struktur, die sich im Universum bildet, zum Beispiel eine Galaxie, von einem großen verdünnten Halo von HM umgeben ist. Näher am Zentrum der Galaxien sammelt sich normale (atombasierte) Materie, da sie kollidieren und mit sich selbst und der Strahlung interagieren kann. Aber TM geht einfach durch alles andere: durch sich selbst, normale Materie, Photonen usw.

TM-Partikel, die nur durch die Schwerkraft interagieren, können keinen großen Anfangsimpuls verlieren. In der gesamten Geschichte des Universums konnte jedes TM-Teilchen nicht mehr als ein Dutzend Mal durch das Zentrum der Galaxie gelangen.


Nach Modellen und Simulationen sollten alle Galaxien in den TM-Halo gehüllt sein, dessen Dichte im Zentrum maximal ist. Selbst in ausreichend langen Intervallen von Milliarden von Jahren vollendet jedes TM-Teilchen am Rand des Halos kaum eine Umdrehung.

Auf der größten Skala des Universums dominiert die Dunkle Materie. Aber wo wir sind, 25.000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt, herrscht lokal gewöhnliche Materie vor. Auf der Erde, im Sonnensystem, unterscheidet sich die Situation noch mehr von der im interstellaren Raum. Die Dichte des menschlichen Körpers ist vergleichbar mit Wasser - 1000 kg / m ³ .

Die Dichte der dunklen Materie, in der wir leben, ist selbst in den realistischsten Simulationen um ein Vielfaches geringer: ^10-12 kg / m ³ . Wenn Sie das gesamte TM sammeln, das sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in allen Menschen auf der Erde befindet, wird es nicht in Nanogramm eingegeben.


Erdbeben sind nicht nur für Risse in der Erde bekannt, sondern auch für Änderungen der Erdrotation, deren Durchmesser nach Abschluss einer vollständigen Umdrehung darüber hinaus leicht abnimmt. All dies wirkt sich nicht auf TM aus, genau wie nichts anderes auf der Erde, einschließlich der Anwesenheit oder Abwesenheit von Menschen.

Wenn Sie das gesamte HM vom gesamten Sonnensystem bis zur Umlaufbahn von Neptun sammeln, erhalten Sie nicht mehr als 10 ¹⁷ kg: die Masse eines kleinen Asteroiden. Da es nicht mit normaler Materie kollidiert, bewegt es sich außerdem nicht mit dem Sonnensystem. Sie:

• dreht sich nicht um die Sonne,
• bewegt sich nicht mit der Sonne und anderen Sternen um das galaktische Zentrum,
• bleibt nicht in einer Ebene,
• Nicht mit der Milchstraße drehen.

Mit anderen Worten, relativ zur Erde bewegt es sich unter dem Einfluss der Schwerkraft mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit!


Der TM-Lichthof um unsere Galaxie sollte leicht unterschiedliche Wechselwirkungseigenschaften aufweisen, wenn sich die Erde um die Sonne dreht, wodurch sich unsere Bewegung durch TM in unserer Galaxie ändert.

Wenn Sie wissen möchten, wie viel TM in einer bestimmten Zeit durch Ihren Körper fließt, müssen Sie nur vier Werte multiplizieren. Das:

• Dichte der dunklen Materie
• die Oberfläche der Person, durch die das TM geht,
• TM Geschwindigkeit
• die Länge der Zeit.

Nachdem wir die Dichte von TM geschätzt haben - und wir wissen bereits, dass sie 10 bis ²¹ kg / m ³ beträgt - können wir sofort eine Antwort erhalten.


Unsere Galaxie ist von einem riesigen, verstreuten Halo aus TM umgeben, daher muss sein Strom durch unser Sonnensystem fließen. Die Dichte ist jedoch sehr gering, was die Erkennung sehr schwierig macht.

Die Oberfläche einer Person beträgt 1,7 m ² . Da das TM aus einem zufälligen Winkel kommen kann, können wir die vom TM geschnittene Fläche auf etwa 0,6 m ² schätzen.

Unser Sonnensystem bewegt sich im Orbit um das galaktische Zentrum mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 km / s, aber im Vergleich zum TM sollte diese Bewegung schneller sein - näher an 350 km / s. Dies bedeutet, dass sich TM relativ zur Erde mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 400 km / s bewegt.

Und wir können Berechnungen für jeden Zeitraum durchführen - für jede Sekunde, für ein Jahr, für das Leben eines Menschen (ungefähr 80 Jahre).


Jedes einzelne Teilchen des TM bewegt sich mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 400 km / s durch den menschlichen Körper und dreht sich in etwa einer Milliarde Jahren sehr langsam um die Galaxie. Wenn es eine Wechselwirkung zwischen TM und normaler Materie gibt, haben wir die Möglichkeit, diese zu erkennen.

Und wenn zu irgendeinem Zeitpunkt 10 bis ²² kg TM in Ihnen sind, fließt ständig eine viel größere Menge davon durch Sie.

• Jede Sekunde passieren etwa 2,5 × 10 ^-16 kg dunkle Materie Ihren Körper.
• Jedes Jahr - ungefähr 10 ^-8 kg.
• Während des Lebens wird ungefähr 1 Milligramm TM durch eine Person gehen.

Eine scheinbar winzige Menge für einen großen Zeitraum wird in etwas Greifbarem gesammelt.


Halle B im LNGS mit einer XENON-Installation mit einem Detektor in einem großen Wasserschild. Wenn sich TM mit normaler Materie überschneidet, hat das Experiment die Möglichkeit, TM direkt zu erkennen, und Ihr Körper hat die Möglichkeit, damit zu reagieren.

Die Tatsache, dass die erhaltenen Werte nicht so groß sind, spricht nicht nur über den Inhalt unseres Körpers, sondern auch darüber, ob wir davon träumen können, TM zu finden. Ob es sich um Partikel mit sehr kleiner oder sehr großer Masse handelt, zumindest wissen wir, welche Masse an TM nicht nur durch eine Person, sondern auch durch einen Detektor eines bestimmten Volumens fließt. Wenn wir annehmen, dass wir die Masse von HM kennen, können wir die Anzahl der Partikel berechnen, die durch irgendetwas hindurchtreten.

Seit mehreren Jahrzehnten bauen wir immer größere und empfindlichere Detektoren, um die wahrscheinlichen schwer fassbaren Wechselwirkungen zwischen HM und gewöhnlicher Materie zu untersuchen. Die fortschrittlichsten Detektoren von heute verwenden Atome mit einem großen Kern und einer großen Masse und suchen nach Anzeichen von Rückprallen oder anderen Wechselwirkungen. Und bis jetzt haben alle direkten Erkennungsschemata für TM nichts ergeben.


Einschränkungen beim Schnittpunkt der Eigenschaften der Dunklen Materie und des Rückpralls vom Kern, einschließlich der vorhergesagten Genauigkeit des XENON1T-Projekts. Alle unsere Versuche, TM zu finden, beruhten auf einer Reihe von Annahmen über die Natur von TM, aber die Dimensionen dieser gegenseitigen Überschneidung sind sehr begrenzt.

Basierend auf unseren besten Annahmen ist TM überall. Es mag für die Augen unsichtbar sein, aber wir können seine Anziehungskraft spüren. Es geht durch die ganze Materie des Universums, einschließlich der Menschen, als ob dort nichts wäre. Soweit wir wissen, gibt es keine Kollisionen oder Wechselwirkungen damit, außer der Krümmung der Raumzeit unter ihrem Einfluss. Es zerknittert nicht, gruppiert sich nicht, bildet keine Strukturen wie dunkle Atome oder Moleküle.

Und doch, wenn es den geringsten Hinweis auf die Möglichkeit einer Kollision von TM mit normaler Materie oder Strahlung gibt, können wir dies erkennen. Wenn auch nur ein TM-Teilchen mit einem Proton oder Elektron in Ihrem Körper kollidiert, haben wir eine Chance. Es ist schwierig, mehr zu verlangen, wenn es um eines der tiefsten Geheimnisse des Universums geht.